Влияние параметров анодирования на оптические свойства нанопористого оксида алюминия, сформированного поверх островковой пленки серебра

Предмет исследования. Исследованы оптические свойства гибридной плазмонной тонкопленочной наноструктуры. Структура представляет собой пористую матрицу анодного оксида алюминия на поверхности островковой пленки серебра, сформированной на кварцевой подложке.
Метод. Серебряная пленка из наночастиц, лежащая в основе структуры, создана методом термического напыления. Островковая структура серебра с размером наночастиц порядка 100 нм сформирована в процессе отжига на воздухе. На поверхность структуры методом электронно-лучевого испарения в вакууме нанесена пленка алюминия. Выполнено одноступенчатое прямое анодирование пленки алюминия, в результате которого образована нанопористая пленка оксида алюминия. Полученные структуры исследованы методами спектрометрии и электронной микроскопии.
Основные результаты. Рассмотрены спектры отражения и оптической плотности наноструктур, полученные при различных продолжительности и токе анодирования. Выполнено сравнение полученных спектров наноструктур для оксида алюминия, серебряных наночастиц и оксида алюминия на поверхности серебряных наночастиц. Показано, что с увеличением времени анодирования, коэффициент отражения структуры приближается к величине показателя для анодного оксида алюминия, вследствие окисления алюминиевой пленки. Увеличение тока анодирования приводит к сдвигу минимума коэффициента отражения в длинноволновую область спектра. Это явление подтверждается ранее выполненными исследованиями и объясняется увеличением расстояния между порами, образующимися в результате анодирования. Численное моделирование спектров сечения экстинкции с использованием Mie калькулятора показало, что результаты моделирования оптических свойств структуры с размерами наночастицы порядка 100 нм сопоставимы со спектрами оптической плотности, полученными в результате эксперимента. При моделировании использовано приближение сферической частицы. Для более точного определения толщины оксидной пленки и приближения расчетных спектров оптической плотности к экспериментальным результатам требуется учет форм-фактора.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и изготовлении сенсоров, оптических покрытий и источников фотонов для применения в экранах, оптических схемах и устройствах плазмоники.

1. Maoz B.M., Chaikin Y., Tesler A.B., Bar Elli O., Fan Z., Govorov A.O., Markovich G. Amplification of chiroptical activity of chiral biomolecules by surface plasmons // Nano Letters. 2013. V. 13. N 3. P. 1203–1209. https://doi.org/10.1021/nl304638a

2. Xu S., Cao Y., Zhou J., Wang X., Wang X., Xu W. Plasmonic enhancement of fluorescence on silver nanoparticle films // Nanotechnology. 2011. V. 22. N 27. P. 275715. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/27/275715

3. Choudhari K.S., Kulkarni S.D., Santhosh C., George S.D. Photoluminescence enhancement and morphological properties of nanoporous anodic alumina prepared in oxalic acid with varying time and temperature // Microporous and Mesoporous Materials. 2018. V. 271. P. 138–145. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.06.004

4. Zhou Z.K., Lei D.Y., Liu J., Liu X., Xue J., Zhu Q., Chen H., Liu T., Li Y., Zhang H., Wang X. Shaping the emission spectral profile of quantum dots with periodic dielectric and metallic nanostructures // Advanced Optical Materials. 2014. V. 2. N 1. P. 56–64. https://doi.org/10.1002/adom.201300354

5. Ho W.J., Cheng P.Y., Hsiao K.Y. Plasmonic silicon solar cell based on silver nanoparticles using ultra-thin anodic aluminum oxide template // Applied Surface Science. 2015. V. 354. P. 25–30. https:// doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.049

6. Xu Q., Sun H.-Y., Yang Y.-H., Liu L.-H., Li Z.-Y. Optical properties and color generation mechanism of porous anodic alumina films // Applied Surface Science. 2011. V. 258. N 5. P. 1826–1830. https:// doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.10.054

7. Bae Y., Yu J., Jung Y., Lee D., Choi D. Cost-effective and highthroughput plasmonic interference coupled nanostructures by using quasi-uniform anodic aluminum oxide // Coatings. 2019. V. 9. N 7. P. 420. https://doi.org/10.3390/coatings9070420

8. Wang X.G., Wang J., Li J.-F., Tao D.-W., Zhou W.-M., Li Y., Wang C.‑W. Silver loaded anodic aluminum oxide defective photonic crystals and their application for surface enhanced Raman scattering // Optical Materials. 2020. V. 105. P. 109982. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109982

9. Santos A. Nanoporous anodic alumina photonic crystals: Fundamentals, developments and perspectives // Journal of Materials Chemistry C. 2017. V. 5. N 23. P. 5581–5599. https://doi.org/10.1039/c6tc05555a

10. Liu S., Tian J., Zhang W. Fabrication and application of nanoporous anodic aluminum oxide: A review // Nanotechnology. 2021. V. 32. N 22. P. 222001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abe25f

11. Kumeria T., Santos A. Nanoporous alumina membranes for chromatography and molecular transporting // Springer Series in Materials Science. 2015. V. 219. P. 293–318. https://doi.org/10.1007/978-3-319-20334-8_10

12. Alekseeva N., Cema G., Podorozhkin D., Solovyev V., Trifonov S., Veisman V. Physical properties of self-assembled porous alumina structures filled with iodine // Journal of Self-Assembly and Molecular Electronics (SAME). 2015. V. 2. N 1. P. 27–40. https://doi.org/10.13052/jsame2245-4551.212

13. Yin H., Li X., Que L. Fabrication and characterization of aluminum oxide thin film micropatterns on the glass substrate // Microelectronic Engineering. 2014. V. 128. P. 66–70. https://doi.org/10.1016/j.mee.2014.05.020

14. Nabiullina R.D., Nikitin I., Soloveva E., Gladskikh I., Starovoytov A.A. Optical properties of nanoporous aluminum oxide activated by molecular clusters of pseudoisocyanine dye // Proceedings of SPIE. 2022. V. 12131. P. 121310S. https://doi.org/10.1117/12.2621343

15. Toropov N.A., Gladskikh I.A., Parfenov P.S., Vartanyan T.A. Fabrication and laser-assisted modification of the Ag particles ensembles supporting quadrupole plasmon oscillations // Optical and Quantum Electronics. 2017. V. 49. N 4. P. 154. https://doi.org/10.1007/s11082-017-0996-5

16. Amendola V., Pilot R., Frasconi M., Maragò O.M., Iatì M.A. Surface plasmon resonance in gold nanoparticles: A review // Journal of Physics: Condensed Matter. 2017. V. 29. N 20. P. 203002. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa60f3

17. Nikitin I.Y., Nabiullina R.D., Borodina L.N., Starovoytov A.A., Gladskikh I.A. Optical properties of a hybrid films of J-aggregates and aluminum oxide formed on an island Ag film // Proc. of the International Conference Laser Optics (ICLO). 2022. https://doi.org/10.1109/iclo54117.2022.9840201